Molecular mechanisms and effect of acute and psychosocial stress on the intestinal barrier function. Implications on the irritable bowel syndrome

Abstract

El estrés psicosocial es uno de los grandes problemas de salud en las sociedades modernas. En condiciones fisiológicas el estrés representa una amenaza para la homeostasis. En respuesta al estrés se genera una respuesta coordinada que implica a los sistemas autonómico, endocrino e inmunitario para mantener la estabilidad del medio. Una sobreexposición al estrés en individuos susceptibles, altera esta respuesta adaptativa pudiendo dar lugar al desarrollo de enfermedades. Uno de los órganos más vulnerables al estrés es el tracto gastrointestinal (GI), ya que las enfermedades más comunes del tracto gastrointestinal, los trastornos funcionales digestivos (FGID), son enfermedades sensibles al estrés, pero los mecanismos subyacentes siguen siendo desconocidos. Tanto el estrés agudo como el crónico han demostrado alterar mecanismos que pueden dar lugar a la disfunción de la barrera intestinal y a la activación de la inmunidad a nivel de la mucosa intestinal, dos factores que se han relacionado con el desarrollo del síndrome del intestino irritable (SII). El objetivo de esta tesis es describir la influencia del estrés en la función GI y describir los componentes moleculares de la respuesta al estrés que pueden predisponer al desarrollo de los FGID. Primero realizamos un estudio retrospectivo para determinar la prevalencia en nuestra comunidad de estrés crónico psicosocial en pacientes con SII con predominio de diarrea (SII-D) y para evaluar el efecto del estrés crónico psicosocial y el sexo en la severidad del SII-D. Evidenciamos que los sujetos con SII-D presentaban una mayor prevalencia de estrés crónico psicosocial que los voluntarios sanos. Asimismo, las mujeres afectas de SII-D presentaban más síntomas dispépticos que los sujetos varones del mismo grupo. El análisis por subgrupos demostró que las comorbilidades condicionaban una mayor severidad clínica del SII-D en aquellos pacientes con depresión. Posteriormente, se realizó un estudio prospectivo para investigar los mecanismos moleculares subyacentes a la respuesta de la mucosa intestinal al estrés. Para ello, se obtuvieron una biopsia antes y otra después del estrés, monitorizando variables autonómicas, hormonales y psicológicas de respuesta al estrés por frío (CPS). Se realizó un estudio de microarray, un análisis de la expresión génica diferencial y se identificaron las vías implicadas en la respuesta al estrés. El análisis reveló la influencia del ritmo circadiano, la función barrera intestinal y la inflamación en la respuesta al estrés, tres factores que han sido asociados al desarrollo de FGID. La validación por PCR confirmó estos resultados pero también demostró que el estrés era capaz de modificar la expresión de genes relacionados con las uniones estrechas. El análisis por subgrupos de estrés crónico psicosocial y sexo objetivó que estos dos factores determinan una respuesta diferencial al estrés. Finalmente, realizamos un estudio para investigar si los cambios observados a nivel molecular se asociaban a un aumento de la permeabilidad intestinal medida mediante el test de lactulosa-manitol después del estrés. El estudio identificó que el CPS era capaz de aumentar la permeabilidad intestinal y esta respuesta estaba condicionada por sexo y el estrés crónico psicosocial, sugiriendo que esta respuesta diferencial podría estar relacionada con la mayor prevalencia de SII en mujeres. En conclusión, el estrés crónico psicosocial tiene un papel en la fisiopatología del SII-D. Las comorbilidades empeoran la sintomatología en los pacientes afectos de SII-D. El estrés agudo altera la expresión de genes relacionados con el ritmo circadiano, la respuesta inflamatoria y la regulación de la barrera intestinal, favoreciendo la disfunción de la barrera intestinal y el desarrollo de los FGID. Estrategias dirigidas a identificar y tratar las comorbilidades en los pacientes con SII-D y a reducir el estrés crónico psicosocial podrían ser útiles en el manejo clínico de los pacientes con SII.

Psychosocial stress is becoming a huge health problem in modern societies in the last years. In physiological conditions, stress represents a threat to the internal homeostasis, and in response to stress a coordinated response involving autonomic, endocrine, and immune systems is generated to maintain stability. However, stress overexposure in susceptible individuals, impairs this adaptive response, and could lead to the development of disease. One of the most vulnerable organs to stress is the gastrointestinal tract (GI), as most common gastrointestinal disorders, functional gastrointestinal disorders (FGID), are considered stress-sensitive disorders although the underlying mechanisms still remain unknown. In the last years, increasing evidence supports the interaction between stress and the GI tract, as both acute and chronic stress have been shown to increase ion and water secretion, impair epithelial permeability, and modify intestinal microbiota leading to intestinal barrier dysfunction and mucosal immune activation that have been related to IBS development. The aim of this thesis is to describe how stress impacts on gastrointestinal function and to describe cellular and molecular components of the stress response that can predispose to the development of FGID. In this study, we first retrospectively determine the prevalence of chronic psychosocial stress in diarrhea-predominant irritable bowel syndrome (IBS-D) in our area and analyze the effect of chronic psychosocial stress and sex in the severity of GI function. The analysis revealed that chronic psychosocial stress is more prevalent in IBS-D subjects than in healthy volunteers. Moreover, females displayed more dyspeptic symptoms than males in the IBS-D group. Subgroup analysis by comorbid factors showed a more severe IBS-D in patients that had concomitant depression. We also performed a prospective study to investigate the molecular mechanisms involved in the intestinal mucosa’s response to stress. Two biopsies were obtained before and after stress. Throughout the study, autonomic, hormonal and psychological responses to cold pain stress (CPS) were monitored. Mucosal RNA from the intestinal mucosa was isolated and submitted to microarray analysis followed by differential gene expression and biological pathways identification. The analysis revealed the influence of circadian rhythm, intestinal barrier function and inflammation on the response to stress, three factors associated to FGID development. PCR validation confirmed these results, but also demonstrated that stress was also able to modify tight junction related genes. Subgroup analysis revealed that psychosocial stress and sex determine a differential response to stress. Finally, we performed a clinical study to asses if these molecular changes were associated with increased gut permeability by measuring the excretion of lactulose and mannitol after stress. The study identified that CPS not only modifies intestinal barrier function at a gene level, but also impairs intestinal permeability. Interestingly, chronic psychosocial stress levels and sex differentially affected intestinal permeability suggesting that this differential response is linked to the female predominance in IBS. In conclusion, chronic psychosocial stress plays a role in IBS-D pathophysiology, and depression and dyspepsia are two comorbid conditions that worsen IBS-D symptoms. Acute stress alters circadian rhythm, mucosal inflammatory and intestinal barrier gene expression which could lead to intestinal dysfunction and to the development of FGID. Strategies directed to identify comorbidities in IBS-D patients and to reduce chronic psychosocial stress could be useful to manage IBS-patients.